【复材信息】再发Nature，这种二维材料，到底有多火！

02-24 06:31

选题背景

延伸是晶体生长的一种方法，是使原子在一定条件下规则地排列在单晶衬底上，形成与衬底方向相同、有一定厚度的完整结构的单晶层的方法。延伸技术不仅可以用来生长与衬底材料相同的单晶层(同质延伸)，还可以用来生长与衬底材料不同的单晶层(异质延伸)。二维(2D)半导体，特别是过渡元素二硫化物（TMDs），除了硅基电子技术之外，它还有很大的应用潜力。在传统上，TMDs通过化学气相沉积（CVD）外延生长于晶体基底。但是，这种方法需要将生长后的材料转移到目标基础上，使得厚度控制和可扩展性难以实现。

为解决这个问题，首尔大学Gwan-Hyoung “Lee团队”Nature《期刊》发表了题为“Hypotaxy of wafer-scale single-crystal transition metal dichalcogenides"最新论文。这篇文章介绍了一种叫做“低对齐”的（hypotaxy）的方法（“hypo”表示向下，“taxy“表示排列)，该方法可以直接在各种基底上生长晶体对齐的单晶TMD(包括非晶体和晶格不匹配的基底)，同时保持与上方2D模板的晶体对齐。对齐的TMD晶核是通过在石墨烯覆盖下硫化或硒化事先沉积的金属薄膜形成的，这些晶核在去除石墨烯后融合成单晶薄膜。

这种方法在各种基础上实现了精确的MoS2厚度控制，范围从单层到几百层，产生了高导热率(约120层。 W m−1 K−1)高迁移率(约87) cm2 V−1 s−1)4英尺单晶MoS2。另外，用氧等离子体对石墨烯形成的纳米孔进行处理，促使MoS2在400°C在较低的温度下也可以生长，从而适应后道工艺。

这种低对齐方法适用于MoSe2等其它TMDs、在传统外延法中，WS2和WSe2为基底限制提供了解决方案，使单晶TMDs能够在单片集成中实现三维集成。

研究亮点

第一次提出了假外延生长试验。（hypotaxy）通过这种方法，方法成功地实现了大规模单晶TMDs在不同基础上的生长。

2.试验通过将单层石墨烯转移到金属薄膜上，在高温下通过硫化或硒化反应形成对齐的TMD晶核。最后，这些晶核结合形成单晶TMD膜，去除石墨烯后，TMD层仍然与石墨烯晶格相对。该方法可以准确控制MoS2的厚度，并适用于不同的基底，包括非晶基底和晶格不匹配的基底。

试验通过调整石墨烯表面产生纳米孔，将生长温度降至400°C，适应后端工艺。采用这种方法，测试成功获得了高热导率(约120 W m−1 K−1)高迁移率(约87) cm2 V−1 s−1)MoS2单晶薄膜。

试验通过这种方法扩展到MoSe2等其它TMDs，、WS2和WSe2已经完成了更广泛的适用性，克服了基础选择中传统延伸生长方法的局限性，为单片三维集成提供了新的思路。

图文解读

图 1: 延伸生长和假外延生长的机制

图 2: 假外延生长的逐步过程

图 3: MoS2假外延生长中的层数可控性

图 4: 假外延生长4英尺单晶MoS2

图 5: 单晶MoS2假外延生长的热学和电学特性

结论展望

总而言之，这项研究是通过假外延的。（hypotaxy）这种新方法，在二维半导体中，特别是过渡元素二硫化物（TMDs）在合成方面取得了显著进展。在单晶TMD层中，我们成功地展示了使用石墨烯模板(包括MoS2)、MoSe2、与传统的生长方式相比，WS2和WSe2的晶片级生长显著提高了晶体的质量和均匀性。得到的单晶TMD材料具有优异的热学和电学性能。

特别值得注意的是，优质MoS2在现场效应晶体管中具有优异的电气性能，移动率高，设备特性一致，在多种样品中表现稳定。另外，假外延法在单片三维集成中的可行性及其与后端工艺相结合。（BEOL）兼容性，为半导体器件的生产开辟了新的途径。本研究不仅为下一代半导体技术的发展提供了创新的高质量TMD生长合成方法，也为下一代半导体技术的发展迈出了重要一步。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08492-9

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